RU2676943C1 - Способ измерения концентрации ионов и устройство для его реализации - Google Patents
Способ измерения концентрации ионов и устройство для его реализации Download PDFInfo
- Publication number
- RU2676943C1 RU2676943C1 RU2017145436A RU2017145436A RU2676943C1 RU 2676943 C1 RU2676943 C1 RU 2676943C1 RU 2017145436 A RU2017145436 A RU 2017145436A RU 2017145436 A RU2017145436 A RU 2017145436A RU 2676943 C1 RU2676943 C1 RU 2676943C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- ions
- concentration
- suction chamber
- capacity
- gyrator
- Prior art date
Links
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 title claims abstract description 47
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 15
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims abstract description 8
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 claims abstract description 7
- 230000008021 deposition Effects 0.000 claims abstract description 6
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 claims abstract description 3
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 description 2
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 1
- 230000005686 electrostatic field Effects 0.000 description 1
- 238000010926 purge Methods 0.000 description 1
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
- H01J47/00—Tubes for determining the presence, intensity, density or energy of radiation or particles
- H01J47/02—Ionisation chambers
- H01J47/04—Capacitive ionisation chambers, e.g. the electrodes of which are used as electrometers
Landscapes
- Other Investigation Or Analysis Of Materials By Electrical Means (AREA)
Abstract
Использование: для измерения концентрации аэроионов. Сущность изобретения заключается в том, что способ измерения концентрации ионов заключается в периодическом накоплении заряда на емкости аспирационной камеры при оседании ионов исследуемого воздуха на ее собирающий электрод за равные промежутки времени и последующем его измерении. Концентрацию ионов определяют по количеству импульсов напряжения, возникающих при разряде емкости аспирационной камеры на индуктивность, амплитуда которых больше определенного заданного значения согласно указанному выражению. Технический результат: обеспечение возможности повышения точности измерения и уменьшении аппаратурных затрат. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 4 ил.
Description
Изобретение относиться к измерительной технике и может быть использовано для измерения концентрации ионов атмосферного воздуха.
Известен способ измерения концентрации ионов газа, при котором результат измерения определяют по току, создаваемому ионами, оседающими на собирающий электрод аспирационной камеры, высоковольтный электрод которой соединен с блоком питания камеры, а собирающий - с измерителем тока (Таммет Х.Ф. Аспирационный метод измерения спектра аэроионов // Труды по аэроионизации и электроаэрозолям: Учен. Зап. Тартус. Ун-та. - Тарту, 1967, - вып. 195-234 с. ) - [1]. Недостатком этого метода является низкая точность измерения, обусловленная сильным влиянием помех различного рода и происхождения, особенно от помех сети 220[В], 50[Гц]. Происходит это потому, что входное сопротивление измерителя тока очень большое и в некоторых случаях (например при измерении естественного ионного фона) может достигать величины 1012Ом.
Частично устранить этот недостаток можно путем использования способа измерения концентрации ионов (А.С. №474827, Устройство для счета ионов, G06m 11/00, Б.И. №23, 1975 г. ) - [2], по которому концентрацию ионов определяют по амплитуде импульса, возникающего на выходе входного каскада, вход которого соединен с собирающим электродом аспирационной камеры через ключ, время разомкнутого состояния которого известно и задается устройством управления, а высоковольтный электрод камеры соединен с источником ее питания.
Недостатком вышеприведенного способа, принятого за прототип, является невысокая точность измерения, обусловленная влиянием различных помех, наиболее существенной из которых является помеха от напряжения сети 220(B), 50(Гц), а также существенные аппаратурные затраты.
Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, заключается в повышении точности измерения концентрации ионов путем уменьшения влияния помех при одновременном уменьшении и аппаратурных затрат.
Технический результат достигается тем, что в способе измерения концентрации ионов, заключающемся в периодическом накоплении заряда на емкости аспирационной камеры при оседании ионов исследуемого воздуха на ее собирающий электрод за равные промежутки времени и последующем его измерении, новым является то, что концентрацию ионов определяют по количеству импульсов напряжения, возникающих при разряде емкости аспирационной камеры на индуктивность, амплитуда которых больше определенного, заданного значения, согласно выражению:
n - измеряемая концентрация ионов, [1/см3],
N - количество подсчитываемых импульсов,
С - емкость аспирационной камеры, [Ф],
L - индуктивность [Гн].
V - объемный расход воздуха через аспирационную камеру, [см3/сек],
Т - время накопления заряда на емкости аспирационной камеры при оседании ионов, концентрация которых измеряется, [сек],
е=1.6⋅10-19 [Кл] - заряд одного иона,
R - активное сопротивление, определяющее активные потери в LC контуре, [Ом],
Uоп - заданное значение напряжения, [В].
По способу измерения концентрации ионов в качестве индуктивности используют гиратор.
В устройстве для измерения концентрации ионов, содержащем аспирационную камеру, высоковольтный электрод которой соединен с источником питания аспирационной камеры, а собирающий электрод - с ключом, работой которого управляет устройство управления и индикации, новым является то, что ключ соединяет собирающий аспирационной камеры со входом гиратора, выход которого подключен к первому входу компаратора, второй вход которого подключен к источнику опорного напряжения, выход компаратора соединен со входом устройства управления и индикации, а концентрация ионов определяется по уравнению:
n - измеряемая концентрация ионов, [1/см3].
N - количество подсчитываемых импульсов,
С - емкость аспирационной камеры, [Ф],
L - индуктивность [Гн].
V - объемный расход воздуха через аспирационную камеру, [см3/сек],
Т - время накопления заряда на емкости аспирационной камеры при оседании ионов, концентрация которых измеряется, [сек],
е=1.6⋅10-19 [Кл] - заряд одного иона,
R - активное сопротивление, определяющее активные потери в LC контуре, [Ом],
Uоп - заданное значение напряжения, [В].
К1 - коэффициент передачи гиратора, постоянная величина.
Сущность изобретения поясняется на Фиг. 1, Фиг. 2, Фиг. 3 и Фиг. 4 где:
Фиг. 1 - Структурная схема устройства для реализации заявленного способа измерения концентрации ионов. Здесь: 1 - Источник питания аспирационной камеры; 2 - аспирационная камера с 2-1- высоковольтным и 2-2 - собирающим электродами; 3 - ключ; 4 - гиратор; 5 - компаратор; 6 - устройство управления и индикации; 7 - источник опорного напряжения.
Фиг. 2 - Эквивалентная схема, поясняющая получение информативного сигнала. Здесь: I=nVe - ток, создаваемый ионами, оседающими на собирающий электрод 2-2 аспирационной камеры 2; С - емкость аспирационной камеры 2; К - ключ 3, соединяющий собирающий электрод 2-2 аспирационной камеры 2 со входом гиратора 4; L - индуктивность, реализуемая гиратором 4; R - активное сопротивление, определяющее активные потери в LC контуре.
Фиг. 3. Временные диаграммы, поясняющие работу устройства. Здесь: 3.а - состояние ключа 3, соединяющего собирающий электрод 2-2 аспирационной камеры 2 со входом гиратора 4; 3.b - сигнал на выходе гиратора 4; 3.с - сигнал на выходе компаратора 5, Uоп - выходное напряжение источника опорного напряжения 7.
Фиг. 4 - электрические схемы гираторов (Волович Г.И. Схемотехника аналоговых и аналого-цифровых электронных устройств. - М., Издательский дом «Додека-XX1», 2005 г. - 528 с. ) - [3].
Устройство для реализации заявленного способа содержит источник питания аспирационной камеры 1, аспирационную камеру 2 высоковольтный электрод 2-1 которой подключен к источнику питания аспирационной камеры 1, а собирающий 2-2 - к ключу 3. Ключ 3 подключает собирающий электрод аспирационной камеры ко входу гиратора 4, который является эквивалентом индуктивности (см. Фиг. 4). Его выход соединен с первым входом компаратора 5. Второй вход компаратора 5 соединен с выходом источника опарного напряжения 7, а выход компаратора 5 - со входом устройства управления и индикации 6. Управляющий сигнал устройства управления и индикации 6 поступает на управляющий вход ключа 3, соединяющего собирающий электрод 2-2 аспирационной камеры 2 со входом гиратора 4, и определяет время его разомкнутого и замкнутого состояний. Результат измерения отображается на индикаторном табло устройства управления и индикации 6.
Устройство работает следующим образом (см. фиг. 1).
При продувке исследуемого газа через аспирационную камеру 2 (вентилятор на фиг.2 не показан) за счет электростатического поля, созданного источником питания аспирационной камеры 1, ионы газа в зависимости от их полярности оседают на электроды камеры 2. После размыкания ключа 3 устройством управления 6, на собирающем электроде 2-2 аспирационной камеры 2 за счет оседания ионов исследуемого воздуха создается заряд, величина которого определится выражением:
где: Q - величина накопленного заряда на собирающем электроде 2-2 аспирационной камеры 2, [Кл];
С - емкость аспирационной камеры 2, [Ф];
V - объемный расход газа через аспирационную камеру 2, [см3/сек];
Т - время разомкнутого состояния ключа 3, [сек];
е=1.6⋅10-19 [Кл] - заряд одного иона;
n- измеряемая концентрация ионов, [1/см3].
При замыкании ключа 3 фиг. 1 (момент времени t = 0 на фиг. 3) емкость аспирационной камеры 2 подключается ко входу гиратора 4, который представляет собой индуктивность. В результате получается эквивалентная схема для информативного сигнала, которая приведена на фиг 2. В полученном LC контуре возникают колебания, для которых справедливо следующее уравнение:
где: L - индуктивность [Гн], R - активное сопротивление, определяющее активные потери в LC контуре [Ом], UL - напряжение на LC -контуре [В].
Начальные условия, необходимые для нахождения решения приведенного выше уравнения, имеют вид: при t = t1 = 0, то есть в момент замыкания контактов ключа 3 (см. фиг. 1), выполняются условия: и iL(t=0)=0. Тогда, решение этого уравнения запишется:
Из приведенного выше выражения видно, что напряжение (информативный сигнал) на LC контуре можно представить в виде гармонического сигнала:
Тогда, напряжение на выходе гиратора запишется:
где К1 - коэффициент передачи гиратора - постоянная величина, которая определяется его элементами.
Из полученного выражения (2) видно, что напряжение на выходе гиратора 4 представляет собой гармоническое колебание. Его амплитуда пропорциональна измеряемой концентрации ионов - n, но с течением времени уменьшается по экспоненциальной зависимости с постоянной времени, равной 2RC.
Этот сигнал поступает на первый вход компаратора 5, на второй (инвертирующий) вход которого подается заданное опорное напряжения - Uоп. На выходе компаратора 5, начиная с момента замыкания контактов ключа 3, появятся импульсы прямоугольной формы. Они прекратятся в момент времени, когда амплитуда входных импульсов компаратора 5 (см. выражение 2) будет меньше заданного напряжения - Uоп, поступающего на его второй, инвертирующий вход от источника опорного напряжения 7. Интервал времени - ТИ, в течении которого на выходе компаратора 5 присутствуют импульсы, определится из условия:
Из приведенного выше выражения для измеряемой концентрации ионов - n получаем:
То есть по количеству импульсов, которые регистрируются устройством управления и индикации 6 можно определить измеряемую концентрацию ионов - n. Частоту импульсов на выходе компаратора легко получить не менее десятков, сотен килогерц, a LC контур (см. фиг. 2) представляет собой полосовой фильтр второго порядка [3]. Так как его резонансная частота как минимум на три порядка больше частоты напряжения сети 50 Гц, то эта помеха, а так же и более высокочастотные помехи, практически не будет присутствовать на выходе гиратора 4 и, следовательно, не внесут погрешность в измерение концентрации ионов - n. Кроме того, из фиг. 1 видно, что предлагаемый способ измерения концентрации ионов и устройство для его реализации не содержит сложных узлов и прост в исполнении. Что же касается экспоненциальной зависимости между количеством регистрирующихся импульсов - N и измеряемой концентрацией ионов - n, то она легко реализуется с помощью существующей элементной базы, например, микроконтройлеров.
Claims (29)
1. Способ измерения концентрации ионов, заключающийся в периодическом накоплении заряда на емкости аспирационной камеры при оседании ионов исследуемого воздуха на ее собирающий электрод за равные промежутки времени и последующем его измерении, отличающийся тем, что концентрацию ионов определяют по количеству импульсов напряжения, возникающих при разряде емкости аспирационной камеры на индуктивность, амплитуда которых больше определенного заданного значения согласно выражению
где
n - измеряемая концентрация ионов, [1/см3],
N - количество подсчитываемых импульсов,
С - емкость аспирационной камеры, [Ф],
L - индуктивность [Гн],
V - объемный расход воздуха через аспирационную камеру, [см3/с],
Т - время накопления заряда на емкости аспирационной камеры при оседании ионов, концентрация которых измеряется, [с],
e=1.6⋅10-19 [Кл] - заряд одного иона,
R - активное сопротивление, определяющее активные потери в LC контуре, [Ом],
Uoп - заданное значение напряжения, [В],
К1 - коэффициент передачи гиратора.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве индуктивности используют гиратор.
3. Устройство для измерения концентрации ионов, содержащее аспирационную камеру, высоковольтный электрод которой соединен с источником питания аспирационной камеры, а собирающий электрод - с ключом, работой которого управляет устройство управления и индикации, отличающееся тем, что ключ соединяет собирающий электрод аспирационной камеры со входом гиратора, выход которого подключен к первому входу компаратора, второй вход которого подключен к источнику опорного напряжения, а выход соединен со входом устройства управления и индикации, определяющего концентрацию ионов согласно уравнению
где
n - измеряемая концентрация ионов, [1/см3],
N - количество подсчитываемых импульсов,
С - емкость аспирационной камеры, [Ф],
L - индуктивность [Гн],
V - объемный расход воздуха через аспирационную камеру, [см3/с],
Т - время накопления заряда на емкости аспирационной камеры при оседании ионов, концентрация которых измеряется, [с],
е=1.6⋅10-19 [Кл] - заряд одного иона,
R - активное сопротивление, определяющее активные потери в LC контуре, [Ом],
Uoп - заданное значение напряжения, [В],
К1 - коэффициент передачи гиратора.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2017145436A RU2676943C1 (ru) | 2017-12-22 | 2017-12-22 | Способ измерения концентрации ионов и устройство для его реализации |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2017145436A RU2676943C1 (ru) | 2017-12-22 | 2017-12-22 | Способ измерения концентрации ионов и устройство для его реализации |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2676943C1 true RU2676943C1 (ru) | 2019-01-11 |
Family
ID=65025245
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2017145436A RU2676943C1 (ru) | 2017-12-22 | 2017-12-22 | Способ измерения концентрации ионов и устройство для его реализации |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2676943C1 (ru) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2705194C1 (ru) * | 2019-03-13 | 2019-11-06 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ" (КНИТУ-КАИ) | Устройство для измерения концентрации ионов |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5602468A (en) * | 1995-08-07 | 1997-02-11 | Radcal Corporation | Method and apparatus for ion chamber identification |
RU2267186C1 (ru) * | 2004-03-22 | 2005-12-27 | Казанский государственный технический университет им. А.Н. Туполева | Способ измерения концентрации ионов |
RU2459309C1 (ru) * | 2011-06-17 | 2012-08-20 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Казанский государственный технический университет им. А.Н. Туполева (КГТУ-КАИ) | Способ измерения концентрации ионов и устройство для его реализации |
RU2464636C1 (ru) * | 2011-06-17 | 2012-10-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ" (КНИТУ-КАИ) | Устройство для счета ионов |
RU2603970C1 (ru) * | 2015-06-23 | 2016-12-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ" (КНИТУ-КАИ) | Способ измерения концентрации ионов |
-
2017
- 2017-12-22 RU RU2017145436A patent/RU2676943C1/ru not_active IP Right Cessation
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5602468A (en) * | 1995-08-07 | 1997-02-11 | Radcal Corporation | Method and apparatus for ion chamber identification |
RU2267186C1 (ru) * | 2004-03-22 | 2005-12-27 | Казанский государственный технический университет им. А.Н. Туполева | Способ измерения концентрации ионов |
RU2459309C1 (ru) * | 2011-06-17 | 2012-08-20 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Казанский государственный технический университет им. А.Н. Туполева (КГТУ-КАИ) | Способ измерения концентрации ионов и устройство для его реализации |
RU2464636C1 (ru) * | 2011-06-17 | 2012-10-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ" (КНИТУ-КАИ) | Устройство для счета ионов |
RU2603970C1 (ru) * | 2015-06-23 | 2016-12-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ" (КНИТУ-КАИ) | Способ измерения концентрации ионов |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
V. M. Makoveev and R. R. Khasanova, Analysis and Parametric Synthesis of the Air Ion Counter Measurement Channel with Impulse Signal Pickup from the Aspiration Chamber, AIRCRAFT INSTRUMENTS AND INSTRUMENTATION COMPUTER COMPLEXES, RUSSIAN AERONAUTICS Vol. 54, N 2, 2011. * |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2705194C1 (ru) * | 2019-03-13 | 2019-11-06 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ" (КНИТУ-КАИ) | Устройство для измерения концентрации ионов |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
KR20170110103A (ko) | 로고스키 코일 센서를 위한 전자 적분기 | |
RU2676943C1 (ru) | Способ измерения концентрации ионов и устройство для его реализации | |
RU2459309C1 (ru) | Способ измерения концентрации ионов и устройство для его реализации | |
RU2705194C1 (ru) | Устройство для измерения концентрации ионов | |
JPH10173404A (ja) | 高qフィルタの同調方法および装置 | |
Williams et al. | DC amplifier stabilized for zero and gain | |
Hunt | A direct‐reading frequency meter suitable for high speed recording | |
RU2614157C2 (ru) | Устройство для счета ионов | |
JPS61278767A (ja) | 共振周波数測定方法 | |
CN109341732A (zh) | 一种振弦式传感器参数测量电路及方法 | |
RU2464636C1 (ru) | Устройство для счета ионов | |
RU180594U1 (ru) | Устройство для счета ионов | |
RU2267186C1 (ru) | Способ измерения концентрации ионов | |
RU2603970C1 (ru) | Способ измерения концентрации ионов | |
CN112630541B (zh) | 电感品质因数测量方法及相应的电感品质因数测量电路 | |
US1933274A (en) | Testing device | |
US20170052641A1 (en) | Touch calibration system and method thereof | |
Elton | Analyzation of the resistor-inductor-capacitor circuit | |
US7046053B2 (en) | Total harmonic distortion standard | |
RU2671833C1 (ru) | Устройство для счета ионов | |
RU2253862C1 (ru) | Способ измерения концентрации ионов | |
RU2461841C1 (ru) | Устройство измерения активного сопротивления диссипативных cg-двухполюсников | |
DE2847626A1 (de) | Vorrichtung zur bestimmung der dichte von fluessigkeiten und gasen | |
Willmore | Some properties of heavily damped electromagnetic seismographs | |
RU164356U1 (ru) | Устройство для измерения действующего значения переменного напряжения |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20201223 |